柴东北缘青白口纪-第四纪构造-沉积演化

于洪洲

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257000)

1 研究区概况

研究区位于青海省柴达木盆地东北缘地区,是一个由宗务隆裂陷带、欧龙布鲁克地块、滩间山岛弧带、鱼卡-沙柳河高压-超高压变质带四个地质体组成的复杂“拼盘”(图1(a))。中新生代的构造运动导致印支期完成拼贴的基底分化,形成一系列NW-SE向展布的凹陷群及断裂带(图1(b))。现阶段的柴东北缘地区由大柴旦、红山、欧南、德令哈四个次级凹陷组成,总体呈“三山夹两盆”的构造格局(图1(b)、(c))。

图1 柴东北缘地质简图

现今的柴东北缘是一个由不同时期、不同类型盆地叠加而形成的“多旋回叠合沉积盆地”,不同地质阶段具有不同的构造背景、盆地类型、物源-沉积体系、沉积相及含油气系统(图2)。前中生代分为青白口纪-早泥盆世与早泥盆世-三叠纪“多岛特提斯”大陆离散、洋陆俯冲、弧陆及陆弧陆增生与碰撞阶段,以海相碎屑岩、碳酸盐岩沉积充填为主。印支运动之后,海水全面退出,进入陆内山间河湖相沉积盆地、板内褶皱变形阶段。总的来说,青白口纪以来,研究区经历新元古代与早古生代、晚古生代、中生代和新生代4个成盆旋回,9大成盆期不同原型盆地沉积了丰富的煤、油气资源(图 2)。

图2 柴东北缘地层系统及盆地演化

2 新元古代与古生代多岛特提斯演化阶段

达肯大阪群变质岩与麻黄沟组底砾岩之间的风化铝土层与铁质层证明约900 Ma研究区响应了Rodinia超大陆聚合。晋宁运动以后,南部赛什腾-锡铁山-沙柳河一线发生裂陷形成柴北缘裂陷槽,随着裂谷作用的发展及海平面上升,晋宁不整合面之上先后发育陆相碎屑岩沉积(麻黄沟组),无障壁碎屑海岸沉积(枯柏木组及石英梁组),进而过渡到潮坪相碳酸盐岩与细碎屑岩沉积(红藻山组)。形成由碎屑岩到碳酸盐岩沉积,由陆相到海相的一个完整沉积旋回。北部宗务隆一带未发现该期裂陷的构造-岩浆-热事件证据,因此欧龙布鲁克地块应该是与南祁连相连的,整体为向南倾斜的被动大陆边缘盆地(图 3)。

图3 柴东北缘新元古代与古生代构造-沉积演化模式

柴北缘洋洋壳出现的时间至今无信服结论,从岛弧火山岩年代来看,洋壳很可能形成于新元古代晚期。史仁灯等[1](2004)在吉绿素和双口山两地滩间山群岛弧火山岩中获得的10个数据点年龄变化范围为491～527 Ma,另外部分榴辉岩的变质年龄也在520～500 Ma之间[2],这说明柴北缘的洋陆俯冲、滩间山岛弧形成的起始时间应不晚于520 Ma。因此从寒武纪早期开始,研究区自南向北发育滩间山岛弧、弧后盆地及欧龙布鲁克台地三个地质单元(图 3)。早寒武世欧龙布鲁克地块以潮上带萨布哈及潮间、潮下带藻团块、叠层石白云岩发育为主要特点,寒武纪中晚期发育大套碳酸盐岩台地、颗粒滩、滩间海相灰岩及颗粒灰岩,下奥陶统多泉山组发育多层台缘斜坡碳酸盐岩颗粒流、碎屑流沉积,石灰沟组则以深海-半深海浊流沉积为主,总体来说自寒武纪早期开始直至奥陶纪中期处于整体的海侵状态,但海平面震荡频繁。同期弧后海盆中发育了大套深海、半深海相的黑色泥页岩(滩间山群a段下部)。滩间山岛弧带以安山-玄武质熔岩及火山角砾岩、集块岩发育为主(滩间山群b、d段)。

加里东运动开始的确切时间暂时无可信服证据,一般认为奥陶纪中晚期及志留纪研究区发生反转遭受剥蚀,欧龙布鲁克地块上缺失中奥陶统以上地层。缝合带周边滩间山群e段发育的滨海相碎屑岩暗示该时期南部仍存在残余海沉积,但分布较局限。

近东西向的柴北缘(赛什腾-鱼卡-沙柳河)造山带基本格架在早古生代晚期已经初步形成。平行造山带广泛分布的晚泥盆世阿姆尼克组紫红色磨拉石说明当时造山隆升作用非常强烈。后碰撞伸展阶段的晚泥盆世山前磨拉石沉积中发育丰富的巨大辉绿片岩、安山岩砾石,证明物源区很近,石炭系碎屑颗粒成分组成也显示石炭纪物源区类型为再旋回造山带,另外ZK3-1井上石炭统克鲁克组岩心观察发现该期研究区仍发育扇三角洲沉积,研究区晚古生代物源区为南部赛什腾-锡铁山-阿姆尼克-沙柳河加里东造山带。

晚古生代北部青海南山-宗务隆-土尔垦大坂一带发生裂陷,裂陷开始于早泥盆世[3](393.5±3.0 Ma),裂陷槽内发育了鱼北沟群(D1-3y)夹灰岩的滨浅海砂砾岩沉积,这也是整个柴达木晚古生代沉积最早地区。宗务隆裂陷槽中洋壳出现在晚石炭世[4](318 Ma),洋壳向南的俯冲活动发生于晚二叠世-中三叠世之间(248.5～238 Ma)并形成以中酸性火山岩和青海湖南山及天峻南山花岗岩代表的岛弧地体[5]。因此整个泥盆纪-早二叠世宗务隆构造带一直处于伸展阶段,与此对应的柴达木地块北缘为被动大陆边缘,构造相对稳定。

从大地构造背景来看,晚古生代研究区古地貌格局为南隆-北凹,以滨浅海沉积为主,深海沉积仅在宗务隆海槽发育,海水来自于宗务隆海盆。泥盆纪晚期开始,柴北缘造山带遭受区域剥蚀、盆山高差缩小、盆地规模逐渐扩大,在古陆周缘发育冲积平原及无障壁海岸碎屑岩沉积,靠近海槽一侧发育大规模台地相碳酸盐岩沉积。石炭纪晚期由于早期的填平补齐,底形坡脚变小,海岸带的碎屑物质受波浪、潮汐以及沿岸流的改造形成一系列沿滨线展布的障壁岛,海岸带发育障壁岛-泻湖-潮坪沉积体系。该阶段直至早二叠世是柴达木盆地第一个大的聚煤期,克鲁克组底部及扎布萨尕秀组底部两套潮坪相煤系及潮坪-泻湖环境暗色泥页岩也是研究区古生界勘探的主力烃源岩[6]。

宗务隆小洋盆在中二叠世开始消减导致研究区仅在宗务隆地区发育中上二叠统沉积。宗务隆地区二叠系甘家组中发育夹枕状熔岩的海相沉积,下三叠统隆务河组也存在夹火山岩的深海浊流沉积,说明宗务隆残余海盆可能持续到三叠纪中晚期,该残余海盆可能经青海湖南山、橡皮山与西秦岭商丹带残余海盆相连[6]。

3 中生代陆内伸展-陆内挤压盆地阶段

宗务隆小洋盆向南俯冲及欧龙布鲁克地块向南祁连地块的仰冲导致研究区三叠纪发育前陆盆地(图4),宗务隆构造带内三叠系隆务河组、古浪堤组、鄂拉山组保存了前陆盆地的火山岩-海相碎屑岩沉积记录。随后宗务隆构造带隆起成为物源区,研究区结束了海相沉积的历史,进入陆内山间盆地的演化阶段。宗务隆山石炭系变火山岩Ar40/Ar39年龄测定给出的208±14 、198±2.3、194.9±2.4Ma三个坪年龄指示该期隆升发生在195 Ma左右。

图4 柴东北缘中生代构造-沉积演化模式

三叠纪西秦岭与柴达木发生拼贴导致东部鄂拉山一带鄂拉山组大规模发育约240 Ma的陆相基性喷出岩及花岗岩,这奠定了研究区侏罗纪早期东南高-西北低的古地貌格局。侏罗纪早期的裂陷作用在准平原化的柴北缘地区形成了一系列近东西向分布伸展盆地。侏罗纪早期断陷湖盆形成于研究区西侧冷湖地区,研究区缺失侏罗系底部湖西山组地层。小煤沟组沉积期,柴西北地区断陷湖盆发育成熟,柴东北缘则开始在绿草山-大煤沟一带发育冲积沉积,红山断陷湖盆初具雏形。中侏罗世裂陷加剧,大煤沟组1～3段时期,湖盆依然局限在红山地区,但范围稍有扩大;大煤沟组4～7段时期,盆地大规模扩张,沉积中心向大柴旦、德令哈、欧南凹陷转移,此时赛什腾-埃姆尼克山尚未隆起,湖盆北以宗务隆山为界,南以柴南隆起为界,整体表现为“广盆”沉积,并在中侏罗世晚期湖盆水深达到最大。晚侏罗世继承了早期断陷湖盆“广盆”沉积基础,盆地类型转为凹陷盆地,上侏罗统采石岭组、红水沟组沉积物以黄绿色、紫红色陆源碎屑沉积为主,说明当时气候干燥、水深变浅,但湖盆范围较早期略变大。需要指出的是该阶段欧龙布鲁克-牦牛山构造带已经进入地壳浅部[7],欧龙布鲁克中央隆起雏形形成,并作为水下低隆起分割了德令哈、欧南凹陷。整体来说柴东北缘侏罗纪经历了断陷形成(J1)、鼎盛(J2)、最终充填消亡(J3)的过程。该阶段形成小煤沟组、大煤沟组两套河湖相煤系沉积[8-9],是研究区第二个聚煤期,早-中侏罗世湖相泥页岩也是研究区中新生代勘探的主力烃源岩。

宗务隆山南柏树山剖面侏罗纪中晚期以夹灰岩的湖相碎屑岩沉积为主,而白垩系冲积扇沉积的灰岩砾石直径可达80 cm,暗示J-K之交宗务隆山大幅度隆升并向南部湖盆推进。胡授权等[10]认为拉萨块体的增生造成柴青藏高原东北部地区白垩纪初期发生逆冲活动。研究区自北向南白垩系紫红色碎屑岩粒度变小,J-K地层接触关系由平行不整合变为不整合、大头羊沟东部地区甚至整个J3遭受剥蚀,均是该期宗务隆山大幅度隆升并向南逆冲的证据。

4 新生代青藏高原隆升陆内挤压盆地阶段

图5 柴东北缘新生代构造-沉积演化模式

古近纪以来,受南面印度-欧亚板块陆-陆碰撞的影响,研究区陆内变形与隆升强烈,以逆冲推覆和褶皱堆叠为特征,南部埃姆尼克构造带及欧龙布鲁克-牦牛山中央构造带先后隆升成为物源区。古近系路乐河组(E1-2l)仅分布在红山凹陷-绿梁山以西地区,东部地区古近系沉积开始于渐新世(E3g-N1y),古新世-始新世研究区盆山格局东北高南西低,物源区为宗务隆山及柴东北缘隆起,发育干燥气候环境下的陆相冲积扇-冲积平原沉积,湖盆中心位于柴西南地区。渐新世开始研究区东侧开始接受沉积,以自下而上发育冲积扇、扇三角洲沉积,该阶段物源区为宗务隆山,研究区与柴达木盆地仍相连。约15.3 Ma左右埃姆尼克山隆起[11],研究区与柴达木盆地发生分割,上油砂山组发育滨浅湖沉积,托素-克鲁克泛湖形成,该阶段物源区为宗务隆与埃姆尼克构造带(图 5)。8.1 Ma之后湖盆进入萎缩阶段,湖盆水体变浅,上油砂山组上部以滨浅湖沉积为主。7个泉组巨厚砾石层说明2.8 Ma左右的构造活动十分剧烈,并导致欧龙布鲁克构造带的强烈隆起[12],托素-克鲁克泛湖肢解成两个独立湖盆,奠定了现今“三山夹两盆”的盆山格局。随后由于欧龙布鲁克中央隆起自西向东的隆升,湖盆整体向东迁移,整个地区湖盆逐渐萎缩,现今各次级凹陷里面的湖泊如依克柴达木湖、巴嘎柴达木湖、克鲁克湖、托素湖均是早期湖盆的残余,沉积环境由滨浅湖沉积逐步转变为洪积砾石沉积。

5 结 论

(1)柴东北缘地区青白口纪以来经历了新元古代与早古生代、晚古生代、中生代和新生代4个成盆旋回。现今的柴东北缘凹陷是由9个成盆阶段不同原型盆地组成的“叠合盆地”。

(2)特提斯构造阶段研究区以海相沉积为主。早古生代研究区整体北高南低,物源位于南祁连,属远物源沉积,整个早古生代柴东北缘不发育粗碎屑沉积;晚古生代为近源沉积,物源区为柴北缘加里东造山带,盆山格局从早期的南海北陆转变为后期的南陆北海,低位域时期扇三角洲沉积发育,粗碎屑颗粒大量注入。中新生代以陆内河湖沉积为主,宗务隆山、埃姆尼克山、欧龙布鲁克山的先后隆升是该区古地理演化的主控因素。

(3)柴东北缘地区存在晚古生代与侏罗纪两大聚煤期,并在新元古界红藻山组、下古生界石灰沟组、上古生界克鲁克组与扎布萨尕秀组、中生界小煤沟与大煤沟内发育4套暗色泥页岩,具有充足的烃源岩基础,具备一定的勘探潜力。